หลักฐานของการแผ่รังสีฮอร์กิงจากหลุมดำ

ภาพวาดหลุมดำของศิลปิน

(ภาพจาก https://ww2.kqed.org/quest/2012/09/25/black-holes-objects-of-attraction/)

          เมื่อดาวฤกษ์ยักษ์มวลเยอะกว่าดวงอาทิตย์หลายเท่าเผาผลาญเชื้อเพลิงไฮโดรเจนของตัวเองจนหมด แกนกลางของมันซึ่งประกอบไปด้วยธาตุหนักจะยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมหาศาล การยุบตัวเป็นไปอย่างบ้าคลั่งและไม่หยุดยั้งจนกระทั่งมวลทั้งหมดรวมกันเป็นจุดที่ไร้ซึ่งขนาด (singularity) ดาวฤกษ์กลายสภาพเป็นหลุมดำ (blackhole) แล้ว


          แรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำได้ขีดเส้นขอบฟ้า (event horizon) เอาไว้เพื่อไม่ให้สิ่งใดก็ตามหวนกลับออกไปได้เมื่อข้ามผ่านเส้นนี้เข้าไป แม้แต่แสงที่เดินทางเร็วที่สุดในเอกภพก็ไม่อาจหวนกลับออกไปได้ หลุมดำเริ่มกลืนกินทุกสิ่งตรงเส้นขอบฟ้านี้เอง ก่อนหน้าปี ค.ศ. 1975 นักฟิสิกส์เชื่อว่าเส้นขอบฟ้าเป็นบริเวณที่มืดดำสนิท ไม่มีแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ หลุดออกมาจากเส้นขอบฟ้าได้  


          ในปี ค.ศ. 1975 สตีเฟน ฮอร์กิง (Stephen Hawking) ได้ศึกษาอิทธิผลของแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำที่มีผลต่อการแปรปรวนเชิงควอนตั้มในสุญญากาศ (vacuum fluctuation) ใกล้กับเส้นขอบฟ้า ทฤษฎีควอนตั้มบอกเอาไว้ว่าสุญญากาศไม่ได้ว่างเปล่าอย่างที่คิด อันที่จริงมีคู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาค (particle-antiparticle pairs) เกิดมีตัวตนขึ้นมาจากความว่างเปล่าอยู่ทุกที่และทุกเวลา   แต่พวกมันทำลายล้างกันไปเองจนกลับกลายเป็นความว่างเปล่าอีกครั้งภายในชั่วพริบตา อนุภาคธรรมดามีพลังงานเป็นบวกแต่ปฏิอนุภาคคู่หูของมันมีพลังงานเป็นลบ ฮอร์กิงเสนอว่าปฏิอนุภาคมีโอกาสผ่านเส้นขอบฟ้าเข้าไปภายในหลุมดำแล้วทิ้งให้อนุภาคธรรมดาคู่หูของมันอยู่นอกหลุมดำได้ อนุภาคที่รอดพ้นจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำมาได้นี้อยู่ในรูปของรังสีเรียกว่ารังสีฮอร์กิง (Hawking radiation) ดังนั้นฮอร์กิงจึงทำให้หลุมดำดูคล้ายกับโคโรนาของดวงอาทิตย์ในตอนเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง หลุมดำไม่ดำอีกต่อไปแล้ว นอกจากนี้พลังงานที่ติดลบของปฏิอนุภาคอาจจะส่งผลให้หลุมดำระเหยหายไปในที่สุด ดังนั้นการแผ่รังสีฮอร์กิงจึงอาจจะเป็นจุดเริ่มต้นของจุดจบของหลุมดำ 

(ซ้าย) สตีเฟน ฮอร์กิง (Stephen Hawking) 
(ขวา) ภาพวาดในจินตนาการของการแผ่รังสีฮอร์กิง
(ภาพจาก https://www.youtube.com/watch?v=S6srN4idq1E)

          แต่เราไม่สามารถเดินทางไปยังหลุมดำที่อยู่ห่างจากโลกหลายปีแสงเพื่อตรวจวัดรังสีฮอร์กิงได้ นอกจากนี้การสร้างหลุมดำของจริงบนพื้นโลกหรือในอวกาศใกล้โลกก็เป็นเรื่องที่ยากลำบากและอาจจะไม่มีทางทำได้จริง ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงต้องมองหาแนวทางอื่นในการศึกษารังสีฮอร์กิง 


          นักฟิสิกส์เพ่งมองไปยังสมการคณิตศาสตร์ที่อธิบายเส้นขอบฟ้าของหลุมดำ จากนั้นพวกเขาก็พยายามจินตนาการว่าระบบเชิงกายภาพแบบใดที่ถูกอธิบายด้วยสมการทางคณิตศาสตร์แบบเดียวกันกับเส้นขอบฟ้าของหลุมดำ จากนั้นนักทดลองจะพยายามสร้างระบบเชิงกายภาพดังกล่าวขึ้นมาแทนเส้นขอบฟ้าของหลุมดำจริง โดยตัวแปรต่างๆ ของระบบเชิงกายภาพนี้จะสามารถโยงเข้าหาตัวแปรต่างๆ ของเส้นขอบฟ้าของหลุมดำจริงได้ ดังนั้นโดยใช้แนวทางนี้ นักฟิสิกส์จึงสามารถทดลองพิสูจน์ให้เห็นได้ว่ารังสีฮอร์กิงมีอยู่จริงๆ หรือไม่


          ระบบเชิงกายภาพที่มีความคล้ายคลึงกับเส้นขอบฟ้าของหลุมดำถูกค้นพบเป็นครั้งแรกโดย วิลเลียม จอร์จ อุนรูห์ (William George Unruh) ในปี ค.ศ. 1981 ^[1] แนวคิดของระบบเชิงกายภาพนี้ได้ถูกอธิบายไว้อย่างง่ายๆ โดย เอเดรียน โช (Adrian Cho) ^[2] 
เอเดรียน โช เปรียบเปรยระบบเชิงกายภาพของอุนรูห์กับปลาที่ว่ายน้ำทวนกระแสน้ำ ปลามีอัตราเร็วคงที่แต่กระแสน้ำมีอัตราเร็วเปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่ง กระแสน้ำไหลลงมาจากภูเขาสูงชันซึ่งทำให้อัตราเร็วของกระแสน้ำเพิ่มขึ้นตามระดับความสูงของภูเขา 
เนื่องจากปลาว่ายน้ำเร็วกว่ากระแสน้ำที่ตีนเขา มันจึงสามารถว่ายฝ่ากระแสน้ำขึ้นไปบนเขาได้ แต่เมื่อปลาว่ายน้ำสูงขึ้นไปเรื่อยๆ อัตราเร็วของกระแสน้ำจะยิ่งเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่อัตราเร็วของปลายังคงเท่าเดิม และเมื่อมันว่ายน้ำถึงระดับความสูงค่าหนึ่งซึ่งอัตราเร็วของกระแสน้ำเท่ากันพอดีกับอัตราเร็วของปลา ปลาจะไม่สามารถว่ายฝ่ากระแสน้ำต่อไปได้อีก ปลาจะออกันอยู่ที่ตรงนั้น เส้นขอบฟ้าเสมือน (event horizon analogue) จะอยู่เหนือจุดนี้ขึ้นไปเล็กน้อย มันคือเส้นที่ปลาเริ่มมีอัตราเร็วน้อยกว่าอัตราเร็วของกระแสน้ำ ซึ่งทำให้ปลาไม่สามารถว่ายต่อไปได้อีก   
 

ภาพวาดเปรียบเปรยระบบเชิงกายภาพของเส้นขอบฟ้าเสมือน

          ระบบเชิงกายภาพของอุนรูห์ที่โชพยายามเปรียบเปรยนี้คือคลื่นเสียงที่เคลื่อนที่ฝ่าสายธารของฮีเลียมเหลว ปลาในการเปรียบเปรยของโชคือคลื่นเสียงในระบบเชิงกายภาพของอุนรูห์ ส่วนกระแสน้ำเปรียบได้กับการไหลของฮีเลียมเหลว ถ้าคลื่นเสียงไหลด้วยความเร็วเท่ากันพอดีกับความเร็วของฮีเลียมเหลวแล้ว คลื่นเสียงจะไม่สามารถเคลื่อนที่ไปต่อได้อีก เส้นขอบฟ้าเสมือนจะอยู่ใกล้กับจุดนี้ในบริเวณที่เสียงเริ่มมีความเร็วน้อยกว่าความเร็วของฮีเลียมเหลวเล็กน้อย อุนรูห์ได้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเส้นขอบฟ้าเสมือนในระบบเชิงกายภาพนี้มีสมการคณิตศาสตร์รูปแบบเดียวกันกับสมการคณิตศาสตร์ของเส้นขอบฟ้าของหลุมดำจริง แต่ถึงแม้จะมีการสร้างระบบนี้ได้ในการทดลอง นักทดลองก็ยังไม่สามารถหาหลักฐานที่หนักแน่นเพียงพอมายืนยันว่ารังสีฮอร์กิงมีอยู่จริงหรือไม่


          ในปี ค.ศ. 2008 อูลฟ์ เลโอนฮาร์ด (Ulf Leonhardt) และคณะได้สร้างเส้นขอบฟ้าเสมือนโดยใช้แสงขึ้นเป็นครั้งแรก ^[3] เส้นขอบฟ้าเสมือนเชิงแสงนี้แตกต่างจากระบบของอุนรูห์ตรงที่ตัวกลางที่แสงเคลื่อนที่ไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่จริงๆ มีเพียงแสงเท่านั้นที่เคลื่อนที่จริงๆ เมื่อเปรียบเทียบกับกรอบอ้างอิงในห้องทดลอง 


          แต่เลโอนฮาร์ดทำให้ตัวกลางเสมือนว่ากำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับแสงโดยการทำให้แสงสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของตัวกลางได้ คุณสมบัติดังกล่าวคือค่าดัชนีหักเหแสง (refractive index) ซึ่งจะมีค่าขึ้นอยู่กับความเข้มแสงและตำแหน่งในตัวกลาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear effect) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อความเข้มแสงมีค่ามากพอ 


          ตัวกลางของเลโอนฮาร์ดคือเส้นใยแก้วนำแสง (optical fiber) ที่ถูกออกแบบมาเป็นอย่างดี แสงอยู่ในย่านรังสีอินฟราเรดและมีลักษณะเป็นพัลส์ (pulse) ความเข้มสูง ค่าดัชนีหักเหแสงของเส้นใยแก้วนำแสงจะถูกดัดแปลงโดยพัลส์ตลอดเส้นทางของการเคลื่อนที่ ดังนั้นค่าดัชนีหักเหแสงจึงเคลื่อนที่ไปพร้อมกับพัลส์ มันจึงเสมือนกับว่าเราทำให้ตัวกลางเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของพัลส์ 


          หลังจากที่ปล่อยให้พัลส์เคลื่อนที่ไปได้สักพัก เลโอนฮาร์ดได้ทดลองปล่อยแสงที่มีความเข้มแสงต่อเนื่อง (continuous light) และความเร็วสูงกว่าความเร็วของพัลส์เข้าไปในเส้นใยแก้วนำแสงเพื่อให้มันตามพัลส์ทัน แสงนี้เรียกว่าโพรบ (probe) ความเร็วของโพรบจะน้อยลงเรื่อยๆ ในขณะที่มันวิ่งไล่ตามพัลซ์ซึ่งเป็นผลมาจากค่าดัชนีหักเหแสงที่ถูกทำให้เปลี่ยนแปลงไป ดังนั้นจึงมีตำแหน่งบนเส้นใยแก้วนำแสงที่ความเร็วของโพรบจะเท่ากันกับความเร็วของพัลส์ (ซึ่งอาจมองได้ว่าเป็นตำแหน่งที่ความเร็วของโพรบเท่ากันกับความเร็วของตัวกลาง) ตำแหน่งนี้จะอยู่ที่ฝั่งหางของพัลส์ ดังนั้นจึงเกิดเส้นขอบฟ้าเสมือนที่ซึ่งความเร็วของโพรบน้อยกว่าความเร็วของพัลส์ (อาจมองได้ว่าความเร็วของโพรบน้อยกว่าความเร็วของตัวกลาง) ที่ตำแหน่งซึ่งอยู่ทางฝั่งด้านหน้าของพัลส์ดังแสดงในรูปด้านล่าง 
 

(ซ้าย) พัลส์ (สีเหลือง) และโพรบ (ลูกศร) เคลื่อนที่ในเส้นใยแก้วนำแสง

(ขวา) เส้นขอบฟ้าเสมือนเกิดที่ตำแหน่งทางฝั่งด้านหน้าของพัลซ์เมื่อความเร็วของโพรบเท่ากับพัลส์ที่ฝั่งด้านหลัง ^[3]

          ถึงจะสามารถสร้างเส้นขอบฟ้าเสมือนเชิงแสงได้แล้ว แต่การสังเกตรังสีฮอร์กิงที่เกิดขึ้นได้เอง (spontaneous Hawking radiation) ตรงเส้นขอบฟ้านั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลย เพราะรังสีฮอร์กิงเป็นสัญญาณที่อ่อนมากๆ มีการประเมินว่าสัญญาณของรังสีฮอร์กิงจากเส้นขอบฟ้าของหลุมดำจริงๆ เทียบเท่าได้กับการแผ่รังสีของวัตถุดำที่อุณหภูมิระดับไมโครเคลวิล

   
          อูลฟ์ เลโอนฮาร์ด และทีมวิจัยของเขาต้องใช้เวลากว่าหนึ่งทศวรรษในการค้นหาร่องรอยการเกิดรังสีฮอร์กิงจากเส้นขอบฟ้าเสมือนเชิงแสง ^[4] เลโอนฮาร์ดค้นพบว่าโพรบที่มีลักษณะเป็นพัลส์จะสามารถปลุกเร้าให้เกิดรังสีฮอร์กิง (stimulated Hawking radiation) ในเส้นใยแก้วนำแสงได้ 


          โพรบทำหน้าที่เป็นเหมือนกาลอวกาศที่ปลุกเร้าให้เกิดคู่ของอนุภาคโฟตอนและปฏิอนุภาคโฟตอน โดยปฏิอนุภาคโฟตอนเป็นอนุภาคที่มีพลังงานเป็นลบ ดังนั้นมันจึงปรากฏเป็นสัญญาณความถี่ติดลบในสัญญาณที่ออกมาจากเส้นใยแก้วนำแสง เลโอนฮาร์ดสามารถตรวจจับสัญญาณความถี่ติดลบที่เกิดขึ้นในย่านรังสี UV ได้เป็นครั้งแรก สัญญาณมีความแรงเพียงพอเพราะเขาได้ใช้พัลส์ที่มีระยะเวลาสั้นลงกว่าเดิมประมาณ 10 เท่า 


         งานวิจัยล่าสุดของเลโอนฮาร์ดได้ให้หลักฐานยืนยันอย่างไม่กำกวมว่ารังสีฮอร์กิงสามารถเกิดขึ้นได้จริง แต่การทดลองนี้ก็ยังไม่ถูกยืนยันโดยนักวิจัยกลุ่มอื่น ตอนนี้เราจึงไม่สามารถฟันธงได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ว่าเกิดการแยกตัวของอนุภาคและปฏิอนุภาคที่เส้นขอบฟ้าของหลุมดำจริงๆ อุนรูห์ได้ให้สัมภาษณ์กับนิตยสาร Physics World เอาไว้ว่าเขามั่นใจว่ารังสีฮอร์กิงเกิดขึ้นได้จริงถึงแม้ว่าจริงๆ แล้วพฤติกรรมของโพรบแสงจะไม่เหมือนกันกับคุณสมบัติของกาลอวกาศที่แท้จริง เพราะสมการทางคณิตศาสตร์ของทั้งคู่มีความคล้ายกันมาก ^[5]  

 

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1]  W. G. Unruh, Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981).
• [2] A. Cho, Science 319, 1321 (2008).
• [3] T. G. Philbin, C. Kuklewicz, S. Robertson, S. Hill, F. König, and U. Leonhardt, Science 319, 1367 (2008).
• [4] J. Drori, Y. Rosenberg, D. Bermudez, Y. Silberberg, and U. Leonhardt, Phys. Rev. Lett. 122, 010404 (2019)
• [5] https://physicsworld.com/a/physicists-stimulate-hawking-radiation-from-optical-analogue-of-a-black-hole/